Обобщенная функциональная схема измерителей - регуляторов

Измерители-регуляторы температуры состоят из следующих функциональных блоков (см. рисунок):

• входы - служат для подключения к прибору различных типов датчиков;

• блок обработки входного сигнала - включает коррекцию показаний датчиков, цифровые фильтры и вычислители дополнительных величин (разности, отношения и т.п.);

• логические устройства (ЛУ) - формируют управляющие сигналы для выходных устройств;

• выходные устройства (ВУ) - служат для передачи регистрирующих или управляющих сигналов на исполнительные механизмы.

Коррекция измерений (компенсация погрешности датчиков)

Для устранения начальной погрешности преобразования входных датчиков и погрешностей, вносимых соединительными проводами, измеренное прибором значение может быть откорректировано. В большинстве приборов ОВЕН существует два типа коррекции, позволяющих осуществлять сдвиг или изменение наклона измерительной характеристики на заданную величину.

Сдвиг характеристики

(пример для датчика ТСМ50, W₁₀₀ = 1,426)

К каждому измеренному значению параметра Т_изм прибавляется заданное пользователем значение  («сдвиг характеристики»).

Используется для компенсации погрешностей, вносимых сопротивлениями подводящих проводов (R) при использовании двухпроводной схемы подключения термопреобразователей сопротивления.

Изменение наклона характеристики

(пример для датчика ТСМ50, W₁₀₀ = 1,426; =0,00426)

Каждое измеренное значение параметра Т_изм умножается на заданный пользователем в пределах 0,900...1,100 поправочный коэффициент  («наклон характеристики»).

Используется для компенсации погрешностей датчиков при отклонении значения W₁₀₀() от номинального.

Цифровая фильтрация измерений

Цифровая фильтрация входного сигнала уменьшает влияние случайных импульсных помех на показания. В большинстве измерителей-регуляторов ОВЕН предусмотрена двухступенчатая фильтрация: «полосовая», устраняющая значительные единичные помехи, и «сглаживающая», снижающая действие небольших высокочастотных помех.

Первая ступень фильтрации описывается параметром «полоса фильтра», вторая - параметром «глубина фильтра» или «постоянная времени фильтра».

Полоса фильтра

Параметр «полоса фильтра» позволяет защитить измерительный тракт от сильных единичных помех. Полоса фильтра задается в единицах измеряемой величины. Если текущее показание отличается от предыдущего измеренного значения более чем на значение этого параметра, то оно игнорируется, и прибор производит повторное измерение. На цифровом индикаторе остается значение предыдущего измерения. Малая ширина полосы фильтра приводит к замедлению реакции прибора на быстрое изменение входной величины. Поэтому при низком уровне помех или при работе с быстроменяющимися процессами рекомендуется увеличить значение параметра или задать его равным 0. В случае работы в условиях сильных помех для устранения их влияния на работу прибора необходимо уменьшить значение параметра. При этом возможно ухудшение быстродействия прибора из-за повторных измерений.

Параметр «глубина фильтра» позволяет добиться «сглаживания» изменений показаний прибора за счет их усреднения. Значение этого параметра задает количество последних измерений, для которых прибор вычисляет среднее арифметическое. Полученная величина используется прибором в дальнейшей работе. Вид переходных характеристик фильтра для разных N показан на рисунке.

Уменьшение значения глубины фильтра приводит к более быстрой реакции прибора на скачкообразные изменения контролируемой вели чины, но снижает помехозащищенность прибора. Увеличение значения приводит к улучшению помехозащищенности, но вместе с этим повышает инерционность прибора.

Параметр «постоянная времени фильтра» _ф позволяет осуществлять экспоненциальное сглаживание. Постоянной времени фильтра называют интервал, в течение которого выходной сигнал достигает 0,63 от величины окончательного значения (100 °С). На рисунке показана реакция фильтра на единичный скачок температуры при различных _ф. Большое значение _ф приводит к замедлению реакции прибора на изменение входной величины, но помехи значительно подавлены (кривая I). Малые значения _ф позволяют довольно точно отслеживать изменения входной величины, но уровень помех практически не уменьшается (кривая II).

Вычисление дополнительных величин

В ряде измерителей-регуляторов ОВЕН предусмотрена возможность вычисления дополнительных величин (помимо измеряемых) и их поддержания.

Например, в 2ТРМ1 есть вычислитель разности входных сигналов T = T₁- T₂. Значение разности прибор может регулировать. Наиболее часто эта возможность применяется для регулирования влажности: прибор поддерживает значение T, установленное по психрометрической таблице в соответствии с необходимым значением влажности.

МПР51 имеет вычислитель влажности с заложенными значениями психрометрической таблицы, что позволяет поддерживать непосредственно влажность.

2ТРМ1 (модификации AT и АН) имеет вычислитель квадратного корня, который может преобразовывать квадратичную характеристику дифманометра в линейную.

Приборы ТРМ151 и ТРМ148 могут вычислять целый ряд функций от величин, измеренных на входах:

• относительную влажность психрометрическим методом;

• квадратный корень из измеренной величины;

• разность измеренных величин;

• среднее арифметическое измеренных величин;

• минимальное и максимальное значения измеренных величин;

• взвешенную сумму и частное измеренных величин.

В измерителях-регуляторах ОВЕН ТРМ1, 2ТРМ1, ТРМ201, ТРМ202 пользователь имеет возможность задавать входную величину и режим работы логических устройств:

• двухпозиционный регулятор (ON/OFF, компаратор);

• аналоговый П-регулятор;

• измеритель-регистратор.

При этом режим работы ЛУ и тип выходного устройства, определяемый при заказе, должны обязательно соответствовать друг другу.

Другие измерители-регуляторы ОВЕН обычно содержат основное логическое устройство - регулятор (или несколько регуляторов), который может работать в режиме ПИД или ON/OFF. Также каждый канал регулирования может включать в себя дополнительные устройства:

• двухпозиционный (ON/OFF) регулятор, который используется для сигна лизации или аварийного отключения оборудования;

• регистратор (то же, что измеритель-регистратор в ОВЕН ТРМ1).

Двухпозиционный регулятор (релейный, ON/OFF, компаратор)

В режиме двухпозиционного регулятора (компаратора) ЛУ сравнивает значение входной величины с уставками и выдает управляющий сигнал на выходное устройство в соответствии с заданной логикой.

Выходной сигнал двухпозиционного регулятора может иметь только два значения: максимальное и минимальное. Одно из них включает, а другое выключает выходное устройство. Поэтому для работы ЛУ в режиме двухпозиционного регулятора требуется выходное устройство ключевого типа (э/м реле, транзисторная оптопара, оптосимистор, выход для управления внешним твердотельным реле).

Тип логики двухпозиционного регулятора, уставка Т_уст и гистерезис  задаются пользователем при программировании прибора.

Двухпозиционный регулятор (компаратор) сравнивает значение измеренной величины с эталонным (уставкой). Состояние выходного сигнала изменяется на противоположное, если входной сигнал (измеренная величина) пересекает пороговый уровень (уставку).

Двухпозиционный регулятор используется:

• для регулирования измеренной величины в несложных системах, когда не требуется особой точности;

• для сигнализации о выходе контролируемой величины за заданные границы.

Тип логики 1 (прямой гистерезис)

Применяется в случае использования прибора для управления работой нагревателя (например, ТЭНа) или сигнализации о том, что значение текущего измерения Т меньше уставки Т_уст. При этом выходное устройство, подключенное к ЛУ, первоначально включается при значениях Т < Т_уст  , выключается при Т < Т_уст +  и вновь включается при Т < Т_уст  , осуществляя тем самым двухпозиционное регулирование температуры объекта по уставке Т_уст с гистерезисом ±.

Тип логики 2 (обратный гистерезис)

Применяется в случае использования прибора для управления работой «холодильника» (например, вентилятора) или сигнализации о превышении значения уставки. При этом выходное устройство первоначально включается при значениях Т < Т_уст + , выключается при Т < Т_уст   и вновь включается при Т < Т_уст + , также осуществляя двухпозиционное регулирование.

Тип логики 3 (П-образная)

Применяется при использовании прибора для сигнализации о входе контролируемой величины в заданные границы. При этом выходное устройство включается при Т_уст  < Т < Т < Т_уст + .

Тип логики 4 (U-образная)

Применяется при использовании прибора для сигнализации о выходе контролируемой величины за заданные границы. При этом выходное устройство включается при Т < Т_уст   и Т < Т_уст + .

Задержка включения и выключения выходного устройства

Для защиты выходного устройства от частых срабатываний при работе ЛУ в режиме компаратора во многих приборах имеются параметры для установки времени задержки включения t_вкл и времени задержки выключения t_выкл выходного устройства. ЛУ включает (выключает) выходное устройство, если условие, вызывающее изменение состояния, сохраняется, как минимум, в течение времени, установленного в этих параметрах.

Удержание выходного устройства в замкнутом и разомкнутом состоянии в течение заданного времени

Для аварийной сигнализации о выходе параметра за установленные границы во многих приборах ОВЕН можно задать минимальное время удержания выхода в замкнутом и разомкнутом состоянии. ЛУ удерживает выходное устройство в соответствующем состоянии в течение заданного времени, даже если по логике работы устройства сравнения требуется переключение.

Регулятор аналогового типа. Принцип ШИМ

В режиме аналогового регулирования ЛУ рассчитывает отклонение Е те кущего значения контролируемой величины Т от заданной уставки Т_уст (т.е. рассогласование). В результате на выходе регулятора вырабатывается аналоговый сигнал Y, который направлен на уменьшение рассогласования Е. Этот сигнал подается на исполнительное устройство регулятора в виде тока или последовательности импульсов (ШИМ).

Если выходное устройство регулятора ключевого типа (реле, транзистор ная или симисторная оптопара, выход для управления твердотельным реле), выходной сигнал преобразуется в последовательность управляющих импульсов с длительностью D (см. рисунок):

,

где D - длительность импульса, с;

Т_сл - период следования импульсов, с (задается пользователем при программировании);

Y - выходной сигнал регулятора.

Если в качестве выходного устройства используется ЦАП, выходной сиг нал преобразуется в пропорциональный ему ток 4...20 мА или напряжение 0...10 В.

РЕГУЛЯТОР – устройство, предназначенное для поддержания контролируемой величины на заданном уровне.

ПИД-регулятор. Общие принципы ПИД-регулирования

Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор - наиболее эффективный и распространенный вид регулятора, обеспечивающий достаточно высокую точность при управлении различными процессами.

ПИД-регулятор вырабатывает выходной сигнал, который рассчитывается по следующей формуле:

где Х_р - полоса пропорциональности;

E_i - рассогласование;

_д - постоянная времени дифференцирования;

E_i - разность между двумя соседними измерениями E_i и E_i-1;

t_изм - время между двумя соседними измерениями T_i и T_i-1;

_и - постоянная времени интегрирования;

- накопленная в i-й момент времени сумма рассогласований (интегральная сумма).

Как видно из формулы, сигнал управления является суммой трех составляющих:

• пропорциональной (1-е слагаемое);

• интегральной (3-е слагаемое);

• дифференциальной (2-е слагаемое).

Пропорциональная составляющая зависит от рассогласования E_i и отвечает за реакцию на мгновенную ошибку регулирования. Интегральная составляющая содержит в себе накопленную ошибку регулирования, которая является дополнительным источником выходной мощности и позволяет добиться максимальной скорости достижения уставки при отсутствии перерегулирования. Дифференциальная составляющая зависит от скорости изменения параметра E_i/t_изм, вызывающей реакцию регулятора на резкое изменение измеряемого параметра, возникшее, например, в результате внешнего возмущающего воздействия.

Для эффективной работы ПИД-регулятора необходимо подобрать для конкретного объекта регулирования значения коэффициентов ПИД-регулятора Х_р, _д и _и. Это можно сделать вручную или воспользоваться автонастройкой.

Аналоговый П-регулятор. Пропорциональное регулирование (П-закон)

При цифровой реализации П-закона регулирования выходной сигнал регулятора Y_i - пропорционален величине рассогласования E_i, т.е.

,

где Х_р - полоса пропорциональности, в пределах которой справедлива эта формула; E_i - разность между заданным T_уст и текущей T_i значениями измеряемой величины, или рассогласование.

Полоса пропорциональности Х_р, как и отклонение Е, выражается в единицах контролируемого параметра. Чем шире полоса пропорциональности Х_р, тем меньше величина выходного сигнала Y при одном и том же отклонении Е (см. рисунок справа). Вне полосы пропорциональности выходной сигнал Y равен 0 или 100 %.

При действии П-закона регулятор выдает импульсы, в которых присутствует только пропорциональная составляющая величины выходного сигнала.

Выходной сигнал П-регулятора и длительность управляющих импульсов при различных значениях Х_р и Е = 10

Пропорционально-дифференциальное регулирование (ПД-закон)

При работе прибора в режиме ПД-регулятора величина выходного сигнала Y_i зависит не только от величины отклонения E_i, но и от скорости его изменения:

где Х_р - полоса пропорциональности;

E_i - рассогласование;

_д - постоянная времени дифференцирования;

E_i - разность между двумя соседними измерениями

t_изм - время между двумя соседними измерениями T_i и T_i-1;

E_i/t_изм - скорость изменения рассогласования E_i.

Изменение выходного сигнала регулятора при ступенчатом изменении отклонения показано на рисунке. В первый период после ступенчатого изменения E_i, регулятор выдает управляющий импульс, в котором, кроме пропорциональной составляющей, вызванной рассогласованием E_i, добавляется дифференциальная (заштрихованная часть) Y_д, которая зависит от величины E_i и коэффициента _д. В последующих импульсах присутствует только пропорциональная составляющая, так как нет изменения E_i.

Выходной сигнал ПД-регулятора и длительность управляющих импульсов при различных значениях _д и Е = 10

Пропорционально-интегральное регулирование (ПИ-закон).

При работе прибора в режиме ПИ-регулятора величина выходного сигнала Y_i зависит как от величины рассогласования Е, так и от суммы предыдущих рассогласований.

где Х_р - полоса пропорциональности;

E_i – рассогласование (отклонение);

_и - постоянная времени интегрирования;

- накопленная в i-й момент времени сумма рассогласований (интегральная сумма).

Из рисунка видно, что в первый момент времени, когда нет отклонения (E_i= 0), нет и выходного сигнала (Y_i = 0). С появлением отклонения E_i, появляются импульсы, длительность которых постепенно увеличивается. В импульсах присутствует пропорциональная составляющая, которая зависит от величины Е (незаштрихованная часть импульсов) и интегральная составляющая (заштрихованная часть). Увеличение длительности импульсов происходит за счет роста интегральной составляющей, которая зависит от рассогласования Е, и коэффициента _и.

Выходной сигнал ПИ-регулятора и длительность управляющих импульсов при различных значениях _и и Е=10

Зона нечувствительности X_d

Для исключения излишних срабатываний регулятора при небольшом значении рассогласования E_i, для вычисления значений Y_i используется уточненное значение Е_р, вычисленное в соответствии с условиями:

если E_i  X_d, то Е_р = 0;

если E_i > X_d, то Е_р = E_i  X_d,

если E_i < X_d, то Е_р = E_i + X_d,

где X_d - зона нечувствительности.

Прибор будет выдавать управляющий сигнал только после того, как регулируемая величина выйдет из этой зоны. Зона нечувствительности не должна превышать необходимую точность регулирования.